Антиобледенительное индикаторное полимерное покрытие со встроенным оптоволоконным PEL-датчиком для индикации, локации и очистки от обледенения аэродинамических поверхностей

Антиобледенительное индикаторное полимерное покрытие со встроенным оптоволоконным PEL-датчиком для индикации, локации и очистки от обледенения аэродинамических поверхностей

Автор: Паньков А.А., Писарев П.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2021 года.

Бесплатный доступ

Разработана математическая модель и дан численный модальный анализ антиобледенительного режима функционирования нового индикаторного полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным (PEL) датчиком для индикации, локации и самоочистки от обледенения аэродинамических поверхностей. Оптоволоконный PEL-датчик расположен в плоскости покрытия, при этом на выходе из оптоволокна датчика установлен приемник-анализатор информативных интегральных интенсивностей световых сигналов и к выходам двух управляющих электродов датчика подключен генератор переменного электрического напряжения. Антиобледенительная функция полимерного покрытия осуществляется в автоматическом режиме посредством термомеханического актюаторного воздействия PEL-датчика на присоединенный к поверхности покрытия слой (корку) льда и лишь на тех локальных участках покрытия, где толщина присоединенного слоя льда достигла заданного критического значения. Контроль качества очистки от обледенения поверхности антиобледенительного покрытия осуществляется по алгоритмам цифровой обработки информативных световых сигналов на выходе из оптического волокна PEL-датчика. В результате достигается повышение эффективности и контроль удаления обледенения на аэродинамических поверхностях, особенно для протяженных поверхностей; энергоэффективность антиобледенительного полимерного покрытия повышается из-за локальности и самоконтроля процесса очистки от обледенения. Модальный анализ осуществлен в пакете конечно-элементного анализа ANSYS на основе численного решения связанной краевой задачи электроупругости об установившихся вынужденных электромеханических колебаниях представительной ячейки антиобледенительного индикаторного полимерного покрытия. Представлены результаты расчета собственных частот и форм колебаний представительной ячейки антиобледенительного покрытия, амплитудно-частотные характеристики механических напряжений на границе «покрытие/лед» для различных значений толщины присоединенного слоя льда для случая действия вынуждающей гармонической «силы» в виде управляющего электрического напряжения на электродах встроенного PEL-датчика.

Еще

Индикаторное полимерное покрытие, антиобледенительное покрытие, встроенный оптоволоконный датчик, пьезоэффект, электролюминесценция, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282373

IDR: 146282373   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2021.4.11

Список литературы Антиобледенительное индикаторное полимерное покрытие со встроенным оптоволоконным PEL-датчиком для индикации, локации и очистки от обледенения аэродинамических поверхностей

  • Егер С.М., Матвеенко А.М., Шаталов И.А. Основы авиационной техники. - М.: Машиностроение, 2003. - 720 с.
  • Cao Y., Tan W., Wu Z. Aircraft icing: an ongoing threat to aviation safety // Aerospace Science and Technology. - 2018. - № 75. - P. 353-385.
  • Ice protection systems for wind turbines in cold climate: characteristics, comparisons and analysis / O. Fakorede, Z. Feger, H. Ibrahim, A. Ilinca, J. Perron, C. Masson // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2016. - Vol. 65. - P. 662-675.
  • Embedded Temperature and Anti-Icing Monitoring Systems Directly Printed on 3D Shaped Substrates / M. Knoll, C. Offenzeller, B. Jakoby, W. Hilber // IEEE Sensors Journal. - 2020. - Vol. 20, № 10. - P. 5314-5321.
  • An experimental study on soft PDMS materials for aircraft icing mitigation / Y. Liu, L. Ma, W. Wang, A.K. Kota, H. Hu // Applied Surface Science. - 2018. - Vol. 447. - P. 599-609.
  • Designing durable icephobic surfaces / K. Golovin, S.P.R. Kobaku, D.H. Lee [et al.] // Science Advances. - 2016. - Vol. 2, № 3. - P. e1501496
  • The icephobicity comparison of polysiloxane modified hydrophobic and superhydrophobic surfaces under condensing environments / Y. Wang, J.L. Mingzhen, L. Qingjun [et al.] // Applied Surface Science. - 2016. - Vol. 385. - P. 472-480.
  • Self-crosslinking coatings of fluorinated polysiloxanes with enhanced icephobicity / X. Li, Y. Li, L. Ren [et al.] // Thin Solid Films. - 2017. - Vol. 639. - P. 113-122.
  • Self-lubricating icephobic elastomer coating (SLIC) for ultralow ice adhesion with enhanced durability / Y.H. Yeong, A. Milionis, E. Loth, J. Sokhey // Cold Regions Science and Technology. - 2018. - Vol. 148. - P. 29-37.
  • Development and evaluation of poly (dimethylsiloxane) based composite coatings for icephobic applications /j. Liu, J. Wang, L. Mazzola, H. Memon, T. Barman, B. Turnbull // Surface and Coatings Technology. - 2018. - Vol. 349. - P. 980-985.
  • Особенности получения антиобледенительных покрытий (обзор) / Л.В. Соловьянчик, С.В. Кондрашов, В.С. Нагорная, А.А. Мельников // Труды ВИАМ. - 2018. - № 6. - С. 77-98.
  • Раскутин А.Е., Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Полимерное пленочное покрытие для конструкций из ПКМ (обзор) // Труды ВИАМ. - 2017. - № 2. - С. 33-40.
  • Исследование динамики замерзания капли воды на поверхности нанокомпозита в длинноволновом инфракрасном диапазоне / А.А. Мельников, В.С. Нагорная, Л.В. Соловьянчик, С.В. Кондрашов // Журнал технической физики. - 2018. - Т. 88, № 12. - C. 1853-1858.
  • Effect of wettability and surface roughness on ice-adhesion strength of hydrophilic, hydrophobic and superhydrophobic surfaces / T. Bharathidasan, K. Vijay, S.B. Musuvathi [et al.] // Applied Surface Science. - 2014. - Vol. 314. - P. 241-250.
  • Relationships between water wettability and ice adhesion / A.J. Meuler, J. Smith, K. Varanasi [et al.] // ACS applied materials & interfaces. - 2010. - Vol. 2, № 11. - P. 3100-3110.
  • The relationship between water wetting and ice adhesion / A. Dotana, H. Dodiuka, C. Laforteb, S. Kenig // Journal of Adhesion Science and Technology. - 2009. - № 23. - P. 1907-1915.
  • Effects of surface roughness and energy on ice adhesion strength / M. Zou, S. Beckford, R. Wei [et al.] // Applied Surface Science. - 2011. - Vol. 257, № 8. - P. 3786-3792.
  • Wang H., He G., Tian Q. Effects of nano-fluorocarbon coating on icing // Applied surface science. - 2012. - Vol. 258, № 18. - P. 7219-7224.
  • Nitrile butadiene rubber composites reinforced with reduced graphene oxide and carbon nanotubes show superior mechanical, electrical and icephobic properties / L. Valentini, S. Bittolo Bon, M. Hernández, N.M. Pugno // Composites Science and Technology. - 2018. - Vol. 166. - P. 109-114.
  • Исследование адгезии льда к наномодифицированным полиуретановым покрытиям / С.В. Кондрашов, Л.В. Соловьянчик, А.А. Пыхтин, В.С. Ведникова, Э.Р. Бадамшина, А.С. Джалмуханова, С.В. Карпов // Термопластичные материалы и функциональные покрытия: материалы всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 23 апреля 2019 г.); ФГУП «ВИАМ». - М.: ВИАМ, 2019. - С. 118-133.
  • Исследование зависимости адгезии льда к полиуретановым покрытиям от их физико-механических свойств / С.В. Кондрашов, А.А. Пыхтин, Л.В. Соловьянчик, В.А. Большаков, Б.Ф. Павлюк, Э.Р. Бадамшина, А.С. Джалмуханова, С.В. Карпов // Труды ВИАМ. - 2019. - № 3. - С. 87-95.
  • Пат.RU № 2453475. Устройство обнаружения наличия ледяного слоя или жидкости и их удаления / ДЕ СМЕ Мари-Анн, опубл.: 20.06.2012 Бюл. № 17.
  • Пат.RU № 2483000. Пьезоэлектрическая противообледенительная система воздухозаборника / ЛЕ ДОКТ Тьерри, опубл.: 27.05.2013 Бюл. № 15.
  • Пат.RU № 2630537. Волоконно-оптический датчик давления / Паньков А.А., опубл. 11.09.2017 Бюл. № 26.
  • Пат.RU № 2643692. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния / Паньков А.А., опубл.: 05.02.2018 Бюл. № 4.
  • Пат.RU № 2698958. Сенсорная система / Паньков А.А., опубл.: 02.09.2019 Бюл. № 25.
  • Способ удаления обледенения на аэродинамических поверхностях / Паньков А.А., заявка № 2020132202 от 28.09.2020 г.
  • Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. - 2019. - Vol. 288. - P. 171-176.
  • Хорошун Л.П., Маслов Б.П., Лещенко П.В. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов. - Киев: Наук. думка, 1989. - 208 с.
  • Sessler G.M. Piezoelectricity in polyvinylidenefluoride //j. Acoust. Soc. Amer. - 1981. - Vol. 70, № 6. - P. 1596-1608.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp